Summary
生物炭是作为土壤改良剂与可持续固碳,提高基材的品质和吸着污染物的能力,富含碳的物质。该协议描述了用于生物炭的特性,这是之前大规模实施这些修订的环境所需的17分析方法。
Abstract
生物炭的物理和化学性质的基础上的原料来源和生产条件而变化,从而有可能对工程师biochars与特定功能( 例如 ,碳吸收,土壤质量的改进,或污染物吸附)。在2013年,国际生物炭组织(IBI)作出公开提供的标准化产品定义和产品测试指引(1.1版),它设置为生物炭的物理和化学特性的标准。六biochars从三个不同的原料和在两个温度下作出对有关其作为土壤改良剂使用特性进行了分析。该协议描述了原料和biochars的分析,包括:阳离子交换量(CEC),比表面积(SSA),有机碳(OC)和含水率,pH值,颗粒尺寸分布,以及靠近并最终分析。在协议中还描述了在原料和生物炭的分析S表示污染物,包括多环芳香烃(PAHs),多氯联苯(PCBs),金属和汞以及营养物(磷,亚硝酸盐和硝酸盐和铵的氮)。该协议还包括了生物检测程序,避免蚯蚓和发芽试验。根据质量保证/质量控制(QA / QC)的空白,重复,标准和参考材料的结果,所有的方法测定足以与生物炭和原料材料的使用。所有biochars和原料均远低于标准由IBI组和有biochars之间的小的差别,除了在从建筑废料产生的生物炭的情况下。该生物炭(简称老生物炭)被确定为有砷,铬,铜,铅水平升高,并没有蚯蚓回避和发芽试验。基于这些结果,老生物炭,并不适宜用作土壤改良剂为炭素equestration,基材的质量改进或补救。
Introduction
生物炭是有机物1的热解过程中产生的富含碳的副产品。兴趣,无论是公开和学术,在加入生物炭的土壤,从提高土壤质量和植物生长2,3能力茎,可持续的固碳4,和吸着有害污染物2,3,5-7,而废同时提供替代品管理和能源生产通过热解。
Biochars正在被众多企业和组织通过不同的热解系统产生的世界各地。用于生产生物炭的材料包括(但不限于)木屑,动物粪便和建筑废物1。这些差异被预期以改变biochars'物理和化学性质,因此它们对改善底物,促进长期稳定性并增加吸附能力的能力。此外,在热解过程中的生物炭毫安ý变得无意金属污染,多环芳烃和多氯联苯被污染原料或不适当的热解条件的结果。因此,生物炭之前可以大规模应用于环境作为土壤改良剂,仔细表征的生物炭污染物,比表面积,阳离子交换容量,蚯蚓回避和发芽和其他由国际生物炭倡议建议的(IBI)必须进行。在2013年,第一个标准化的产品定义和产品测试准则生物炭,其中规定了生物炭的物理和化学特性的标准,出版并公开提供。
有研究表明在敖德萨商业温室生产的生物炭,ON,加拿大有显著改善植物生长在强烈退化的土壤和吸着持久性有机污染物(POPs),如多氯联苯2,3的能力。这种生物炭已产生三不同的原料( 即有机物源)经由其中所产生的热被用来在冬季温热其温室操作的锅炉系统。
这项研究提供相关的生物炭的生物质锅炉生产的特征数据,并利用生物炭作为土壤改良剂。这项研究的目的是要彻底表征的物理,化学和六biochars根据该IBI在他们的标准化产品定义和产品测试指引(1.1版)(2013年)制定的标准生物学特性。这些特征将被链接,在可能情况下,向每个生物炭作为农业修正的性能和它们的能够吸附污染物的能力。
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Protocol
注:化学分析的分析服务部(ASU)环境研究学院皇后大学(金斯顿,ON)进行的。亚利桑那州立大学是由加拿大实验室认可协会(CALA)在认可的范围所列特定的测试认证。其他分析,包括温室试验,分别在加拿大皇家军事学院(金士顿,ON)化学与化工学院编制。
1.一般注意事项
- 为了确保质量保证和质量控制,分析的分析和空白分析两份,一式两份的样品,并与每批样品(最大批量大小10),用于在所述协议的方法的标准参考材料。
- 建立重复的样品时,从原始样本子采样,并经过同样的编制作为未知样品。确保重复的值在每一个20%其他或重复的分析。确保坯件分析的结果都低于对相应的方法的检测限。标准物质限制取决于个人的方法,但确保他们一般都在预期值的15-30%。
注:在很多的协议描述的方法,具体包括样品分析的建议的顺序,包括校准品,空白,高和低的标准,和未知样品上。这是为了确保样本之间无交叉污染,确保高标准,QA / QC。
注:六biochars被生产以商业的温室和用于化学,物理和生物参数进行分析。每个生物炭的名字反映他们的生产参数或原料来源( 见表1)。
2.测试A类:基本生物炭实用性能
- 水分和有机质含量
- 使用上的点火程序进行损失由尼尔森和萨默斯(1996)内衬。
- 包括每10未知样品一式两份样品和标准参考材料(渥太华沙)。
- 标签50毫升的烧杯耐热的标记,在105绝干他们 °C,使他们冷却然后记录重量。
- 权衡2克风干样品放入烘箱干燥的烧杯中。在105℃下24小时干燥样品,然后从烘箱中取出并让它冷却。
- 一旦冷却,称量烧杯和样品(X =体重干燥样品中 - 重烧杯)。
- 放置在马弗炉和热的样品16小时覆盖在420℃。从炉中取出样品,并允许冷却。再称取样品的烧杯中,记录重量(Y =体重灰化样品 - 重量烧杯)。
- 执行以下计算:
我)烧失量= XY
ⅱ)%水分=((样品重量 - X)/样品重量)×100%
III)%有机马特ER =(上点火/ X亏损)×100%
- 使用上的点火程序进行损失由尼尔森和萨默斯(1996)内衬。
- 近因和最终分析
注:对于近因/终极分析,四种样品进行了分析:低,高,标准燃料和高2. PAH进行了分析,对低,高,和标准燃料。这些被选为代表2012年以来生产的biochars的。- 近因开展和旗舰版,在分析的基础上的方法一个商业设施:ASTM D3172-13 8和D3176-09标准操作规程和近因煤和焦炭分别极限9分析。
- pH值
- 每天用校准标准使用前校准pH探头。
- 添加0.25克生物炭到25毫升蒸馏水,去离子水。
- 手动振摇2分钟,然后离心3000×g离心5分钟。
- 收集上清到玻璃试管和测量pH值。
- 粒度分布
- 分析triplicat所有样品通过渐进式干燥筛分改编自ASTM D5158-98使用10美国七大标准筛和平移(4.7,2.0,1.0,0.50,0.25,0.15,0.0075毫米)电子
- 记录每个空筛的重量和从盘堆叠的筛子,以便至4.7毫米,4.7 mm筛是在顶部。
- 将60克生物炭的4.7 mm筛,将盖在上面,保证筛的堆栈上的振动筛。
- 摇动10分钟,并记录每个筛的重量。报告中一个excel文件%的留在每个筛子中的数据。
- 分析triplicat所有样品通过渐进式干燥筛分改编自ASTM D5158-98使用10美国七大标准筛和平移(4.7,2.0,1.0,0.50,0.25,0.15,0.0075毫米)电子
3.测试B类:毒物报告
- 发芽试验
- 使用由Solaiman 等人所述的种子发芽试验方法。(2012)11。
- 使用滤纸和盆栽土壤作为阳性对照。
- 确保各处理的各自的权重为3g生物炭,10克盆栽土壤中,和1片filte的ř纸。
注意:这些值是根据在培养皿体积,使得每个菜是〜50%满(体积)。 - 入培养皿(8.5厘米直径),放置5 西葫芦菌属西葫芦 (南瓜)种子和50 苜蓿 (苜蓿)种子到每个治疗。
- 用量筒加入15毫升水,以所有的培养皿,然后覆盖它们各自的盖子。
- 放置在培养皿中发芽下14:10小时(白天:夜间)荧光光照和27℃(±6℃)保持温度。
- 七天后记录种子发芽的数目。报告结果%的速度培养皿发芽。测量用尺子发芽种子的根长。报告根长度作为每个培养皿(厘米/培养皿)的总和。
- 使用由Solaiman 等人所述的种子发芽试验方法。(2012)11。
- 避免蚯蚓
- 存储赤子爱胜蚓在由泥炭和灌封健康的土壤基质土壤和保持土壤水分,在〜30%。
- 使用由Li 等人描述的蚯蚓回避方法。 (2011年)。选择蠕虫范围从0.3-0.6克的尺寸。
- 对于这个实验,使用6回避轮( 图1)或类似结构上与加拿大环境部的急性回避试验(加拿大环境部,2004年)概述。
- 混合biochars单独使用铲子和水桶与盆栽土壤为2.8%(按重量计)的速率。
- 填充六个室与120克土壤或土壤/生物炭的混合物的,与每一个其他隔室作为具有未修改控制( 图1), 即土壤无生物炭。加入10蠕虫圆中间隔层。
- 暴露的蠕虫48小时保持避免车轮覆盖铝箔,以防止蠕虫病毒逃逸。保持温度条件之间20-25℃避免车轮。监测土壤水分,并在〜30%维护。 48小时后取出的蠕虫,并在避免车轮记录它们的位置, 即 ,如果它们在ⅰ)经修正或ii)未经修正的隔间。不要重复使用蠕虫未来的测试。
- 分析的基础上的EPA 8270 12通过溶剂萃取和GC-MS多环芳烃。
- 干的样品(10克)处理过夜,在25℃进行18-24小时,然后磨碎成细粉(颗粒尺寸<0.15毫米)与10g硫酸钠和10克Ottawa砂。
- 包括一个分析的空白(Ottawa砂),一个控制(PCB的标准已知量),并每10未知样品一个分析样本重复。
- 将2克样品放入索氏顶针和添加100微升decachlorobiphenyl(DCBP)作为内替代标准。
- 提取索氏设备样品4小时的4-每小时6次在250ml的二氯甲烷中。
- 使用装备有微镍63电子捕获检测器(GC /μECD)的气相色谱仪,熔融石英毛细管柱(30m,0.25mmol毫米内径×0.25微米膜厚度)和合适的软件分析生物炭提取总Aroclors。使用氦气作为载气以1.6毫升/分钟的流速。使用氮气作为电子捕获检测器(ECD)尾吹气。报告值微克/克干重。
- 风干的样品18-24小时,并研磨成细粉末(粒径<0.15毫米)用研钵和研杵。
- 使用试剂级浓酸,热将0.5g样品在2毫升70%(W / W)硝酸和6ml 38%(W / W)的盐酸,直到体积减少到1-2毫升。然后化妆的溶液到25毫升容量瓶用蒸馏水,去离子水,通过Whatman 40号过滤P过滤预习。
- 使用同步电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)用以下的标准/对照分析样品(见步骤3.5.3.1)。分析多元素ICP标准和检查校准曲线%的误差和相关系数。标准购买定制混合各标准中的许多元素。每个元件具有3点校准曲线(例如镉运行于0,0.1,1.0和5ppm的)。验证校准检查标准曲线。重新校准大约每18个样品。
- 添加内部标准“上线”(铟和钪)的样品,以验证仪器的稳定性。分析额外的质量控制标准样本,包括有证标准物质(布什,枝叶;白菜和菠菜),方法空白(添加酸到空管消化并按照3.5.2上述对待他们),分析重复,场重复。
- 确保仪器符合美国EPA 7473方法列出的标准,并允许直接测量汞
- 称取地面空气干燥生物炭(粒径<0.15毫米)100毫克到石英或镍称量皿。
- 使用的1000微克/毫升Hg和5%盐酸中的双去离子水(DDI)的ICP-AES原液,使工作股(5微克/毫升,1微克/毫升,0.1微克/毫升,0.01微克/毫升)和校准标准。
- 使用清洁空艇作为方法的空白。分析起了方法的空白,低QC(20毫微克汞 - 20微升1微克/毫升汞柱)的样品,空白,高QC(200毫微克汞 - 40微升1微克/毫升汞柱),空白,空白,标准参考材料(MESS-3),空白,MESS-3,空白,样品1,空白,样品2,空白,样品2 DUP,空白,样品3,空白等。
- 将船在仪器室,在这里将样品将热分解的continu氧气OU中流动。
注:燃烧产物然后将在氧气流带走,然后进一步分解在热催化剂床。汞蒸气将被困在金混汞管,并随后在254nm解吸光度法定量。
4.测试C类:生物炭高级分析和土壤特性增强
- 铵氮
注:该方法利用了贝特洛反应,其中铵盐中的溶液与酚发生反应的。加入次氯酸钠导致绿色的化合物的形成。硝普钠被添加到强化的颜色。- 权衡5克地面空气干燥样品(颗粒尺寸<0.15毫米)成125毫升的Erlenmeyer烧瓶中。加入2M的(0.01%50液(V / V)的KCl。将烧瓶在旋转振荡器上1小时,在200转。摇动完成后,过滤通过Whatman 42号滤纸样品到100ml的复ASTIC小瓶。
- 准备试剂的解决方案:
- 碱性苯酚 - 量度87毫升液化酚加入到1-L的体积填充2/3的DDI水。添加34克氢氧化钠,弥补体积DDI水。
- 次氯酸钠溶液 - 用100毫升的量筒测量31.5毫升商业漂白剂(5-10%),并填写到100毫升的水DDI。转瓶,并添加1.0克NaOH颗粒,并让他们解散。
- EDTA溶液 - 溶解在1升容积32克的EDTA二钠和0.4g氢氧化钠填充2/3用DDI水。添加0.18克硝普钠,并通过摇动溶解。补到体积与DDI水和添加3毫升的Triton(10%)。
- 使校准标准(0.1,0.2,0.3,0.5,1.0和2.0微克/毫升N-浓度),使用试剂级的NH 4 Cl和水的DDI。从试剂级源的氯化铵,从用于制造标准源不同制备的QC参考标准。使用双去离子水为空白。
- 开始运行自动分析仪。设计每次运行开始与高标准(2.0微克/毫升N)×2,校准标准(从高到低),方法空白,高标准,低标准(0.1微克/毫升N)×2,洗脸水,QC参考样品×2,样品,样品的重复和高标准。,和洗涤水。
注:自动分析软件会自动计算出的提取物浓度。 - 计算生物炭浓度=(提取浓度×50毫升(氯化钾))/5克生物炭样品。
- 氯化钾可提取的亚硝酸盐和硝酸盐通过自动分析仪
注:格里斯Ilosvay比色法利用亚硝酸离子在酸性条件下磺胺反应,形成重氮化合物。化合物进一步反应与N- -1-萘乙二胺二盐酸盐,以形成一个品红偶氮染料。硝酸盐在样品中,通过曝光转化为亚硝酸盐于还原剂(在此情况下的铜 - 镉减少列)。这使得样品中的硝酸盐+亚硝酸盐浓度的量度。- 权衡5克地面空气干燥样品(颗粒尺寸<0.15毫米)到125-ml的锥形瓶中。加入50毫升2M的(0.01%(V / V))的KCl。把瓶在旋转摇动1小时以200rpm。摇动完毕后,过滤通过Whatman 42号滤纸样品为100毫升的塑料瓶中。
- 允许试剂(氯化铵和显色剂)温热至室温。
- 打开比色计,让灯预热。在自动分析仪中存储的是标有氯化铵,显色剂和水试剂管线;启动泵,让水通过系统上运行,检查所有的泵管线路的正常功能。
- 一旦系统达到平衡,发生线路中的相应的试剂,并允许运行5-10分钟。打开图表记录器。等待基线稳定,并且设置到第 10 次
- ,准备100微克/毫升硝酸盐和亚硝酸盐的QC标准股票从KNO 3纳米2和DDI水分别。为了使10微克/毫升中间体标准,加入5毫升100微克/毫升的储备溶液,以50毫升的容量瓶中,并补到体积与0.01%的KCl。使校准标准相结合的0.01%KCl和制备25毫升容量瓶,使校准标准的10微克/毫升的中间标准(0.05,0.2,0.5,1.0,1.5,2微克/毫升NO 3或NO 2)。使用氯化钾的方法空白。
- 准备使用5g的Ottawa砂(惰性材料)的尖峰,并添加0.05毫升的适当1000微克/毫升的QC标准为10毫克N- / kg的样品的最终结果。通过扣球与0.025毫升每1000微克/毫升QC标准的股票的一个样本作结合NO 3 + NO 2秒杀。通过扣球5.0克未知生物炭样品用0.025毫升适当1的准备每次运行一个样本秒杀,000微克/毫升QC标准的股票。
- 开始运行分析。包括一个完整的校准标准,2 QC标准样品,至少两个氯化钾坯,和至少两个标准亚硝酸,一套渥太华砂尖峰和空白并在每次运行样品穗。
注意:标准可以重新运行为每5未知样品之间的标记和验证值用于制备标准曲线的。 - 在每次运行结束重复2.0微克/毫升的标准。运行一式两份样品以10%的最低速率。润亚硝酸盐+硝酸盐分析第一,其次是亚硝酸盐分析。
- 记录上的所有标准,质量控制检查和样品的亚硝酸盐硝酸盐工作表峰高。使用的图表的单位数为高度的测量。要校准仪器,使用标准的相对高度。确保R 2的价值在于在0.99以上,如果不重新运行的标准。
- 使用FORMUL计算样品的浓度一:
提取物浓度=(峰高 - 校正曲线的拦截/校准曲线的斜率)×稀释
生物炭浓度=(提取浓度×50毫升(氯化钾))/5克生物炭样 - 从硝酸加亚硝酸浓度减去所估计的亚硝酸盐浓度来计算硝酸盐。
- 溶性磷(2%甲酸提取)
注:自动分析软件自动计算浓度。该软件报告校准信息,适合校准曲线的善良,集中所有样品,校准品,空白和QC样品已运行。- 此前在干净的玻璃容器或无菌塑料袋分析店面样品。保持冷藏样品两周内分析或保持冷冻长达一年。
- 使所有的标准和QC标准与用于样品相同的萃取液。使用河口沉积物作为标准refereNCE材料和样品的每浴包括两个空白将被提取。
- 使用1-L体积充满至750毫升DDI水,加20毫升(98-99%),甲酸和填充体积与DDI水。
- 添加1.0克地面空气干燥样品(颗粒尺寸<0.15毫米)成125毫升的Erlenmeyer烧瓶中。加50毫升2%的甲酸溶液。把烧瓶于超声波仪10分钟,然后在200rpm转印到旋转的摇动器1小时。后使用Whatman 42号滤纸成另一组125毫升的锥形瓶中振摇,过滤样品。
- 准备标准和尖峰:
- 从磷酸二氢钾和磷酸DDI水准备1000微克/毫升QC股票标准。使用QC库存标准以使校准标准溶液(5微克/毫升,1微克/毫升,0.5微克/毫升,0.2微克/毫升,0.1微克/毫升)。使用0.100毫升的QC标准,使QC钉。为了使QC标准检查,对QC股票标准添加0.100毫升到50毫升体积umetric烧瓶并使其达量氯化钾。
注:这是一个0.2微克/毫升稀释浓度。 - 使用河口泥沙的QC参考样。用0.01%氯化钾作为方法的空白。
- 从磷酸二氢钾和磷酸DDI水准备1000微克/毫升QC股票标准。使用QC库存标准以使校准标准溶液(5微克/毫升,1微克/毫升,0.5微克/毫升,0.2微克/毫升,0.1微克/毫升)。使用0.100毫升的QC标准,使QC钉。为了使QC标准检查,对QC股票标准添加0.100毫升到50毫升体积umetric烧瓶并使其达量氯化钾。
- 在自动分析系统进行分析。样本集起来作为引物(高标准(0.5微克/毫升),校准物(5微克/毫升,1微克/毫升,0.5微克/毫升,0.2微克/毫升,0.1微克/毫升),空白,空,高标准( 0.5微克/毫升),低标准(0.1微克/毫升),低标准(0.1微克/毫升),空,QC(参考样品/河口沉积物),QC(参考样品/河口沉积物),方法空白,样品1,样品2,样品2数据删除,样品3 等 ,高标准,空。
- 在每一批样品也提取两个空白:一种是校准空白,它是被放置在自动进样器的标准机架,另一方面是一种方法的空白,它是被放置在样品盘。
- 比表面积
注:分析;软件S代表布鲁诺尔 - 埃米特 - 泰勒(BET)表面积的化学生物无线电核(CBRN)防护实验室在RMC进行。该方法利用N 2气吸附分析在77K中的相对压力范 围从0.01至0.10的脱气,在120℃下进行最少2小时后。重复的样品每6未知样品进行了分析。样品没有磨成分析前粉末形式。
注:脱气时间和压力是特定于仪器制造商,所提供的方法已被采用高温活性炭预先验证。 - 阳离子交换量(CEC)
- 按照醋酸钠的方法,通过莱尔德和弗莱明(2008年)中描述的CEC计算CEC。
- 包括一个分析的空白(DDI水),标准物质(渥太华沙)和重复,每10个样品。
- 通过溶解136.08克醋酸钠的准备饱和溶液(1M的醋酸钠pH值8.2)。3H 2 O在750ml蒸馏水,去离子水。通过加入醋酸或氢氧化钠将pH调节至8.2。稀释至1升与DDI水。
- 通过组合800毫升IPA用200ml蒸馏水,去离子水制备第一漂洗溶液(80%异丙醇(IPA))。然后准备第二漂洗溶液(100%IPA)。
- 通过溶解5.35克氯化铵入1升蒸馏水,去离子水制备的置换溶液(0.1M NH 4 Cl)的。
- 称量0.2克样品(空气中干燥,不研磨)成30毫升的离心管中。与此同时,称量0.5g上述相同的空气干燥样品放入一个预称重的铝盘中干燥。放置在铝盘中干燥的样品在烘箱中在200℃下2小时,冷却在干燥器中,然后再次称重,以确定风干样品的水含量。使用该样本来计算水分含量修正因子,F(步4.4.1.10)。
- 加入15毫升饱和溶液中,旋涡,然后离心3000xg离心5分钟。滗并小心弃去上清液,以确保没有样品损失。重复此步骤两次。
- 加入15毫升第一漂洗溶液。涡流和离心机以3,000×g离心5分钟。滗并小心弃去上清液。重复此步骤几次,每次测量上层清液的电导率。当上清液的导电率下降的NaOAc的电导率用IPA(〜6μS/ cm)的饱和的下方,切换到第二漂洗溶液。继续直至上清液的导电率低于1μS/ cm至冲洗样品。
- 使样品空气干燥在通风橱中,然后加入15毫升更换溶液。涡流和离心机以3,000×g离心5分钟。滗并将上清液保存到一个100毫升的容量瓶中。重复此步骤3次以上,每次保存上清液到相同的容量瓶中。然后将体积至100毫升,用蒸馏水,去离子わ器。
- 分析通过如先前所述电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)的钠含量。
- 执行以下计算:
F =(重量烘箱中干燥,在空气中干燥样品 - 重量空气干燥样品)
C = Na浓度(毫克/升),在100毫升的容量瓶中
W =体重风干样品(G)加入到离心管
CEC =(C X 0.435)/(宽x F)(CMOL /公斤)
- 按照醋酸钠的方法,通过莱尔德和弗莱明(2008年)中描述的CEC计算CEC。
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Representative Results
所有结果,包括比较受IBI 13所设定的标准总结可以在表1(摘要),2(新,高,低,三是原料和高2 biochars)和3(旧生物质炭)被发现。所有biochars和原料在2012年和2013年( 表2)使用的是远低于标准由IBI设置,并有biochars之间的差异不大。老生物炭( 表3),提交测试第一生物炭,是从用于航运托盘和建筑废料制成,被确定为具有升高的金属砷,铬,铜和铅的水平。老生物炭也有作为由上灼烧损失测定有机碳(63.2%)的最低水平。该生物炭具有最高水平的可提取磷(850毫克/千克)和CEC(34.8 CMOL /千克),以及细颗粒(<0.5毫米,48%)的比例最高。老生物炭也是唯一的生物炭失败的发芽试验( 图3),它被确定赤子爱胜蚓 (土壤无脊椎动物)显著避免了2.8%,老生物炭修正,而他们首选的2.8%修正的新生物炭( 图2)。
测试A类:基本生物炭实用性能
通过热解生物炭生产实质上是生物质的碳化。在碳化过程允许对木材和纤维素材料结构的有机分子到碳或含碳残留物,它是通常的芳族性质的14-18的转化。碳化是通过消除水和挥发性物质从生物量原料得到的,由于热量在热解过程19的操作。所有在商用温室中产生的biochars包含相对低的湿度百分比(<5%),除旧的生物炭。所有biochars由IBI为A类(> 60%),在他们的有机碳作为原料材料通过热解完全碳化的结果的组合物的方面分类。因此,由于有机碳的百分比高,产生的所有biochars具有灰分低百分比(<2.5%),这是生物炭13的无机或矿物组分。尽管这些低灰分biochars不直接提供大量的营养物质土壤为他们做高灰生物炭(往往是从粪肥和骨头制成)对口;这些biochars的碳含量要高得多,因此,它们具有较高的长期营养保留能力20-22。
氢碳比(H:C)是通常用来衡量芳香的生物炭,这已被链接到他们的长期稳定的环境中18和成熟度的术语。对于生物质原料含纤维素第二木质素的H:C比约为1.5。然而,这些材料在温度大于400℃的热解预计将产生biochars用H:C比率<0.5。据报道,一个H:C比<0.1表示在该生物炭23的石墨状结构。本报告中所有biochars有H:C比小于0.02,表明这些biochars在本质上高度芳香和将具有在环境中的长期稳定性。
土壤pH值是土壤酸度的措施,但不幸的是许多农业土壤在加拿大和世界各地的酸性(PH <7),这意味着他们是不理想的作物生长。 Biochars用碱性的pH(> 7),如那些被生产在温室中,可加入酸性土壤,增加土壤的pH值到更适合于植物生长的水平。
对植物生长的另一个重要的土壤特性是粒度分布(PSD)的。具有粗颗粒的比例较高可有利增加土壤通气和防止生物炭运动进入底土随时间,从而增加了时间生物炭的长度提供的好处,以植物生长24 Biochars。然而,更小的颗粒尺寸的青睐用于正在生产用于修复目的,意图biochars能够吸附的污染物,并尽量减少其生物利用度,因为污染物是更容易地能够访问孔隙空间结合3,25,26。此外更小的颗粒尺寸的增加每土壤的单位容积这有利于污染物的吸附27生物炭颗粒的数目。如在先前的研究3中 ,微粒被定义为<0.25毫米和粗颗粒为> 0.5mm左右。命名新建 - ,高压和第三原料的biochars具有高比例的粗颗粒(〜98%),以及细颗粒(〜2%)的低比例。生物CHAR在稍低的温度下生产的,有89%以上的粗的和11%的微粒大小。所有这些biochars可能提供尤其是在退化或粘土土壤类型土壤质地和曝气显着改善。旧有生物炭的PSD从他人不同基本上,具有52%的粗和48%的细颗粒。本PSD生物炭可能是最好的,在使用受污染场地,其中的污染物吸附是主要焦点。
测试B类:毒物报告
生物炭的生物检测是很重要的,以评估毒性(如果有的话)这些材料到土壤无脊椎动物和植物。迄今为止,很少有现有文献关于生物炭对陆地生物的潜在影响和它们的相关联的响应,并且经常是不存在呈现冲突的结果的文献。暴露于污染物可能抑制蚯蚓以执行必要的土壤功能如decompos能力银行足球比赛,营养矿化,土壤结构的改善28。新的生物炭表现出对赤子爱胜蚓无不利影响的评估蚯蚓回避,但是蠕虫显著避免老生物炭( 图2)。发芽试验是用于评估一个特定的材料制成,以植物毒性的技术。盆栽土壤担任比滤纸的滤纸经常鼓励模具形成更好的控制。南瓜和苜蓿种子发芽很好地,分别为67%±12%和81%±6%,发芽。根也激增以及平均长度七天后是14厘米±0.6厘米,55厘米±8厘米南瓜和苜蓿,分别。如同蚯蚓避免研究老生物炭表现出毒性植物和评估了所有其他biochars未见不利影响种子发芽了%的萌发和根长七天后( 图3测
虽然一些类型的生物炭具有能够吸附有机杂质并降低其在环境中的毒性的潜力,需要仔细表征的生物炭,以确保它不包含有害污染物,如多环芳烃,多氯联苯,以及金属作为原料污染的结果或热解的条件。没有在温室生产的biochars的有PAH浓度超过IBI准则。老生物炭被确定为有多氯联苯和金属砷,铬,铜和铅的高的水平,但是,没有从其他两种生物质原料生成的biochars所含金属上面IBI准则。老生物炭被从用于航运托盘和建筑废物是有可能的金属污染的源产生。虽然老生物炭不会适用于农业土壤或家庭花园使用,所有其它biochars可用于这些目的。
测试凯特血淋淋的C: 生物炭高级分析和土壤特性增强
含有高浓度的铵和硝酸盐Biochars可应用于农业土壤,以抵消用于合成肥料的要求。然而,如果生物炭含有过量的这些氮化合物,然后应用在大规模可提高大气N 2 O浓度和污染饮用水源与硝酸盐。没有研究biochars含有较高量的铵或硝酸盐。
磷是用于在植物和动物相关的适当的能源利用许多生理过程的重要组成部分。 Biochars与适量速效磷将作为重要的植物肥料。在安大略省,含15-30毫克/千克土壤中的磷被认为是低,31-60毫克/公斤适中,61-100毫克/公斤的高位。老生物炭是最高的有效磷在850毫克/公斤,可能不适合于添加到已经划为高磷的土壤。然而,测试的所有其他biochars有可用的磷的低得多的量,并会不期望时的速率加入高达10%(重量/重量)会导致问题。
生物炭(除水分)的热解过程中释放的组件被称为挥发物。这些部件通常是短链和长链烃,芳烃与硫少量的混合。挥发性物质,通过工业分析这也决定biochars(第2.2节)的水分和灰分含量。所述挥发物含量影响材料29的稳定性,N-可用性和植物生长30,在理论上biochars高挥发物不太稳定,并具有较高的比例不稳定的碳,可提供的能量为微生物的生长,并限制必要氮的可用性为植物的生长。一项研究Deenik说等人,(2010)认 为是35%的挥发性物质为高(诱发缺氮),以及10%的挥发物是低的。本报告中所有生物炭含有少于20%的挥发性物质,并且因此预期不会限制植物生长。工业分析测定的挥发物是用于biochars具有低灰分含量例如那些在商业温室产生的最重要的。
比表面积(SSA)是一种生物炭的孔隙率的量度。它不仅包括外部生物炭的比表面积,而且孔隙空间内的表面面积,并用于预测生物炭的能够吸附有机杂质的能力的一个重要特征。污染物吸附已被归因于π-π相互作用(有吸引力的,非共价结合)的污染物的芳环(S)和那些在生物炭31的之间。活性炭(AC)是一个木炭状垫这是它在生产过程中处理,以最大限度地发挥它的孔隙率,因此erial具有较高的SSA比大多数biochars。虽然在本报告中提出biochars所有在300米2 /克范围内的SSA( 即比AC的要少得多;〜800 平方米 /克),报道Denyes 等人 ,2012年和2013年,biochars。 ,新与旧,既有显示显著的潜力作为土壤改良剂多氯联苯的整治。
阳离子交换容量(CEC)是阳离子的数量(正电荷离子),一个土壤颗粒能够保持在给定pH值的量度。土壤保持阳离子的能力是由于带负电荷的位点的粒子的表面上,如羟基(OH - )的静电相互作用和羧基(COO - )。组32,33中的土壤的CEC可以链接于土壤,从肥料这是ESSENTIA保持营养物和保留的阳离子的能力l对于植物生长。此外,许多环境污染物,如铅,镉和锌具有正电荷;因此土壤具有高的CEC可以起到防止这些污染物的浸出到饮用水源。 Biochars已经报道以提高土壤的CEC,由于生物炭的表面从而增加带负电荷的位点的数目,并且因此可以减少肥料需求和固定带正电荷的污染物的土壤32的缓慢氧化。通常,沙质土壤具有之间1-5 CMOL /公斤CEC,壤土5-15 CMOL /公斤,粘土型土壤> 30 CMOL / kg和有机物200-400 CMOL /公斤。该方法确定生物炭的CEC仍处于起步阶段,因此,应相对而言考虑。在温室中产生的biochars的CEC比多氯联苯污染土壤的CEC更高(Denyes 等人 ,2012),但比堆肥经修正的土壤低。
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图1.蚯蚓避免车轮的车轮由钢制作和蠕虫被允许在整个室经由多个孔,是大约5厘米直径移动。
旧的和新类型biochars图2.蚯蚓回避法。名为“老”的生物炭,通过建筑废料制作的,而生物炭的标题“新”是从木屑材料制作而成。 *表示未经修订的盆栽土壤和盆栽土壤之间的差异显著修订,无论是生物炭(P <0.05)的2.8%。
图2不同的植物物种3.百分比发芽。南瓜( 西葫芦属西葫芦 )和苜蓿( 紫花苜蓿 )种植在一式三份在商用温室七天产生的各种biochars。新旧是指由不同原料制成biochars,而低和高是指不同的温度热解。 *表示显著的控件(盆栽土壤和过滤纸)的差别。
样本 | 原料 | 热解温度 | 有机质(LOI) | pH值 | CEC | PSD | PSD | SSA |
粗 | 精 | |||||||
℃, | % | CMOL /公斤 | % | % | 米2 / 克 | |||
老 | 1 | > 700 | 63.2 | 9.3 | 34.8 | 51.7 | 48.3 | 373.6 |
新 | 2 | 700 | 97.8 | 9 | 16 | 98.7 | 1.3 | 324.6 |
低温 | 2 | 500 | 96.7 | 8.7 | 15.9 | 86.2 | 13.8 | 336.9 |
高温0; | 2 | > 700 | 97.9 | 8.4 | 11.1 | 98.1 | 1.9 | 419.5 |
第三原料 | 3 | 700 | 96.2 | 9.6 | 13.2 | 97.6 | 2.4 | 244.4 |
高温-2 | 3 | > 700 | 97.1 | 9.1 | 17.1 | 97.9 | 1.9 | 428 |
LOI:烧失量,CEC:阳离子交换容量,PSD:粒度分布,SSA:比表面积 |
表1原料种类,热解温度和六个biochars的物理特性。
需求 | IBI | 生物炭 | 原料范围 | 单元 | |
标准 | 范围 | ||||
测试A类:基本生物炭实用属性-所需的所有Biochars | |||||
湿气 | 声明 | <0.1-4.3 | % | ||
有机碳 | 1级> 60% | 96.2-97.8(LOI) | % | ||
2级> 30% | 92.44-97.93(专业版/ ULT) | ||||
3级> 10 <30% | |||||
H:ç 组织 | 0.7最大 | 0.01-0.02 | 比 | ||
总灰分 | 声明 | 1.38-2.26 | % | ||
总氮 | 声明 | 0.28-1.06 | % | ||
pH值 | 声明 | 8.4-9.6 | pH值 | ||
粒度分布 | 声明 | 86-98 | %粗 | ||
1.3-14 | % | ||||
精 | |||||
测试B类:毒物报告-要求所有的原料 | |||||
发芽 | PASS / FAIL | 通 | |||
避免蚯蚓 | 声明 | 不回避 | |||
多环芳烃(PAHs)的 | 6-20 | <2.0 | 毫克/公斤 | ||
多氯联苯(PCBs) | 0.2-0.5 | <0.1 | 毫克/公斤 | ||
砷 | 12-100 | <1.0 | <1.0 | 毫克/公斤 | |
镉 | 1.4-39 | <1.0 | <1.0 | 毫克/公斤 | |
铬 | 64-1,200 | <2.0 | <2.0-2.6 | 毫克/公斤 | |
钴 | 40-150 | <1.0 | <1.0 | 毫克/公斤 | |
铜 | 63-1,500 | 3.6-6.5 | <2.0-5.9 | 毫克/公斤 | |
铅 | 70-500 | <2.0-2.7 | <2.0-8.1 | 毫克/公斤 | |
水星 | 1,000-17,000 | <5.0-294 | 纳克/克 | ||
钼 | 5-20 | <2.0 | <2.0 | 毫克/公斤 | |
硒 | 1-36 | <10 | <10 | 毫克/公斤 | |
锌 | 200-7,000 | 5.6-56.2 | 7.8-30.5 | 毫克/公斤 | |
氯 | 声明 | 毫克/公斤 | |||
钠 | 声明 | 137-878 | <75-770 | 毫克/公斤 | |
测试C类:生物炭高级分析和土壤增强属性-可选的所有Biochars | |||||
矿质氮(铵态氮和硝态氮) | 声明 | <0.2-6.1 | 毫克/公斤 | ||
总磷 | 声明 | 69.5-276 | 52.5-74 | 毫克/公斤 | |
有效磷 | 声明 | 9-80 | 毫克/公斤 | ||
挥发性物质 | 声明 | 12.47-19.09 | % | ||
比表面积 | 声明 | 244-428 | 米2 / 克 | ||
阳离子EXC焊割容量 | 声明 | 11.1-17.1 | CMOL /公斤 |
表2.标准和特性的新,高,低,第三和High-2 Biochars和原料。在此表中列出的所有biochars从在相同的热解设备相似的原料生产。
需求 | IBI | 生物炭范围 | 原料范围 | 单元 |
标准 | ||||
测试类别A-基本生物炭工具属性-所需的所有Biochars | ||||
湿气 | 声明 | 20% | ||
有机碳 | 1级> 60% | 63.2(LOI) | % | |
2级> 30% | ||||
3级> 10 <30% | ||||
H:ç 组织 | 0.7最大 | 比 | ||
总灰分 | 声明 | % | ||
总氮 | 声明 | % | ||
pH值 | 声明 | 9.3 | pH值 | |
粒度分布 | 声明 | 52 | %粗 | |
48 | %精 | |||
测试B类:毒物报告-要求所有的原料 | ||||
发芽 | PASS / FAIL | 失败 | ||
避免蚯蚓 | 声明 | 避免 | ||
多环芳烃(PAHs)的 | 6-20 | 毫克/公斤 | ||
多氯联苯(PCBs) | 0.2-0.5 | 1.2 | 毫克/公斤 | |
砷 | 12-100 | 167 | <1.0 | 毫克/公斤 |
镉 | 1.4-39 | <1.0 | <1.0 | 毫克/公斤 |
铬 | 64-1,200 | 206 | <20 | 毫克/公斤 |
钴 | 40-150 | 5.3 | <5.0毫克/公斤 | |
铜 | 63-1,500 | 558 | <5.0 | 毫克/公斤 |
铅 | 70-500 | 314 | <10 | 毫克/公斤 |
水星 | 1,000-17,000 | <5.0 | 纳克/克 | |
钼 | 5-20 | <2.0 | <2.0 | 毫克/公斤 |
硒 | 1-36 | <10 | <10 | 毫克/公斤 |
锌 | 200-7,000 | 498 | <15 | 毫克/公斤 |
氯 | 声明 | 毫克/公斤 | ||
钠 | 声明 | 6460 | <75 | 毫克/公斤 |
测试C类:生物炭高级分析和土壤增强属性 - 可选的所有Biochars | ||||
矿质氮(铵态氮和硝态氮) | 声明 | 2.6 | 毫克/公斤 | |
总磷 | 声明 | 毫克/公斤 | ||
有效磷 | 声明 | 850 | 毫克/公斤 | |
挥发性物质 | 声明 | % | ||
比表面积 | 声明 | 373.6 | 米2 / 克 | |
阳离子交换容量 | 声明 | 34.8 | CMOL /公斤 |
表3.汇总的标准和特性旧生物炭和原料。生物炭列表编辑该表中,从建筑废料产生在相同的热解设备,如表2中列出的biochars。
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Discussion
所有的在该协议中所列的方法已被仔细验证并广泛地用于土壤。由于生物炭特性仍处于起步阶段,这些方法的富碳基质的有效性在很大程度上是未知之数。因此,虽然这些方法本身并不新颖,其适用于常规表征,生物炭。在质量保证/质量控制方面,有间的任何方法没有问题相对于所述坯件是低于检测限或回收率是正确的标准参考材料。这表明,这些方法都适合用于生物炭等炭类物质的表征。许多不同的方法已被用于在文献20中,34-41然而表征biochars,作为生物炭变得日益被接受作为土壤添加剂,常规方法是必需的。
阳离子交换容量为唯一的实现方法具D在其中的困难出现了。该方法用于计算样品的CEC取决于样品的重量和钠在那个给定重量的浓度。生物炭具有非常低的密度,因此不造粒在离心后在管的底部,如土壤一样。因此,倾析和废弃在步骤6和方法(4.4)7上清时,其对没有失去任何的生物炭样品是重要的。吹打从离心机将溶液需要以避免任何样品损失。
其它分析方法容易适应土壤的方法。最终和工业分析是特定生物炭和类似产品,如煤,并因此不在实验室其中常规分析土壤通常可用。另一种方法(ASTM D1762)是可用的,对于湿气特别由木头制成的判定,挥发性物质,并且在木炭灰。这种方法也将也已经适用于靠近analys是。当点火%的有机质和水分百分比确定的损失部分可能会选择在温度高于420进行这些分析 °C,尤其是如果有问题的biochars通过非常高的温度的热解产生。在该情况下,这特别研究420℃为足以完全灰所有biochars,虽然没有讨论该温度是足够高的,以灰甚至活性炭。
用生物有机体,如植物和蠕虫的工作往往是很有挑战性的。选择合适的生物研究是特别重要的。土壤无脊椎蚯蚓经常用作地面生物体模型中的污染实验,因为这种能够存活在高浓度的有机污染物,是非常良好的研究,并在地球2,28,42的许多领域生态相关-46。土壤无脊椎动物玩在土壤基质中起重要作用,因为它们降解的有机物,循环营养物,和转让的水。植物物种的苜蓿( 紫花苜蓿 )和南瓜( 西葫芦 )被选择用于发芽实验,因为它们通常生长在加拿大和已经用于我们的免费工作污染物整治2,3,47:温室条件种子发芽需要仔细监测,以确保灯具正常工作,避免极端的温度波动。
生物炭的表征是必不可少的成功应用所测量的参数将指示不同biochars用于不同应用的有效性( 即生物炭是否适合污染物封存,土质改良,污染物修复等 )。因为在这里详细描述的方法被广泛使用于土壤分析,它们可用于characterizat具有成本效益的手段离子biochars的,并应事先向生物炭的领域大规模应用被广泛采用。
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Materials
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Biochar | Burt's Greenhouses | All six biochars were produced at Burt's Greenhouses via BlueFlame Boiler system | |
NaOAc | Fisher Scientific | E124-4 | Dissolving 136.08 g of NaOAC.3H2O in 750 ml distilled, deionized water (DDI water) |
Acetic Acid | Fisher Scientific | A38-212 | |
Sodium Hydroxide | Fisher Scientific | SS284-1 | |
Isopropanol | Fisher Scientific | A416P4 | 80% IPA: 800 ml IPA with 200 ml DDI water. |
NH4Cl | Fisher Scientific | A649500 | Dissolving 5.35 g NH4Cl into 1 L DDI water. |
Alumminum Drying Pan | Fisher Scientific | 08-732-110 | |
Drying Oven | Fisher Scientific | 508N0024 | 200 °C for 2 hr. |
Desiccator | Fisher Scientific | 08-595A | |
Balance | Mettler | 1113032410 | |
Saturating Solution | Fisher Scientific | 06-664-25 | |
Vortex | Barnstead/Thermolyne | 871000536389 | |
Centrifuge | International Equipment Company | 24372808 | 3,000 x g for 5 min. |
Rinsing Solution | Fisher Scientific (Ricca Chemistry Company) | 06-664-24 | |
Conductivity Meter | WESCAN | 88298 | |
Replacing Solution | Fisher Scientific | 06-664-24 | |
ICP-AES | Varian | EL00053841 | |
ASAP 2000 Surface Area Analyser | Cavlon | 885 | Degassing at 120 °C for a minimum of 2 hr. |
Muffle Furnace | Fisher Scientific | 806N0024 | Heat for 16 hr covering at 420 °C. |
pH Meter | Fisher Scientific | 1230185263 | |
Sieve | Fisher Scientific | 2288926 | 4.7 mm sieve being at the top. |
Sieve Skaker | Meinzer II | 0414-02 | Shake for 10 min. |
Sodium Sulphate | VWR | EM-SX0761-5 | |
Ottawa Sand | Fisher Scientific | S23-3 | |
Soxhlet Apparatus | Fisher Scientific (Pyrex) | 09-557A | 4 hr at 4–6 cycles/hr. |
DCBP | Suprlco Analytical | 48318 | |
Dichloromethane | Sigma Aldrich | 40042-40855-U | |
6890 Plus Gas Chromatograph Micro 63 Ni ECD | Agilent | US00034778 | |
Helium | AlphaGaz | SPG-NIT1AL50SMART | |
Nitrogen | AlphaGaz | SPG-HEL1AL50SMART | |
Mortor and Pestle | Fisher Scientific (CoorsTeh) | 12-948G | |
Nitric Acid | Fisher Scientific | 351288212 | |
No. 40 Filter Paper | Fisher Scientific (Whatman) | 09-845A | |
Quartz/Nickel weigh boats | Fisher Scientific | 11-474-210 | |
DMA-80 | ATS Scientific | 5090264 | |
98–99% Formic Acid | Sigma Aldrich | 33015-1L | 1 L volumetric filled to 750 ml with DDI water add 20 ml formic acid and fill to volume with DDI water. |
Sonicator | Fisher Sientific | 15338284 | |
Rotating Shaker | New Brunswick Scientific (Innova 2100) | 14-278-108 | 1 hr at 200 rpm. |
No. 42 Filter Paper | Fisher Scientific (Whatman) | 09-855A | |
WhirlPacks | Fisher Scientific | R55048 | |
Potassium Dihydrogen Orthophospahte | Fisher Scientific | 181525 | |
2 M KCl | Fisher Scientific | P282100 | |
Plastic Vials | Fisher Scientific | 03-337-20 | |
Ammonium Chloride | Fisher Scientific | PX05115 | Allow to warm up to room temperature |
Colour Reagent | Fisher Scientific | 361028260 | Allow to warm up to room temperature |
Colorimeter | Fisher Scientific | 13-642-400 | Turn on to let the lamp warm up and run for 5 min. |
ASEAL Auto Analyzer 2 | SEAL | 4723A12068 | |
Liquified Phenol | Fisher Scientific | MPX05115 | Alkaline Phenol: Measure 87 ml of liquefied phenol into 1-L volumetric filled 2/3 with DDI water. Add 34 g NaOH, make up to volume with DDI water. |
NaOH | Fisher Scientific | S318-3 | |
Commercial Bleach | Retail Store | Hypochlorite Solution: Using 100-ml graduated cylinder measure 31.5 ml of commercial bleach and fill to 100 ml with DDI water. | |
NaOH Pellets | Fisher Scientific | S320-1 | |
Disodium EDTA | Sigma Aldrich | E5124 | |
Sodium Hyprchlorite | Fisher Scientific | SS290-1 | |
Triton (10%) | Fisher Scientific | BP151-100 | |
Sodium Nitroprusside | Fisher Scientific | S350-100 | |
Ammonium Salts | Fisher Scientific | A637-10 | |
Phenoxide | Fisher Scientific | AC388611000 | |
Eisenia Fetida | The Worm Factory | ||
Spade | Retail Store | ||
Bucket | Retail Store | ||
Potting Soil | Retail Store | ||
Avoidance Wheel | Environment Canada | Constructed by a modified design from Environment Canada’s Acute Avoidance Test. | |
Alumminum Foil | Fisher Scientific | 01-213-100 | |
Petri Dishes | Fisher Scientific | 08-757-11 | 8.5 cm in diameter. |
Pumpkin Seeds | Ontario Seed Company (OSC) | 2055 | |
Alfalpha Seeds | Ontario Seed Company (OSC) | 6675 | |
Centrifuge Tubes (30 ml) | Fisher Scientific | 22-038-906 | |
Beakers (50 ml) | Fisher Scientific (Pyrex) | 02-540G | Oven dry at 105 °C. |
Beakers (30 ml) | Fisher Scientific (Pyrex) | 20-540C | |
Erlenmeyer Flasks (125 ml) | Fisher Scientific (Pyrex) | S76106C | |
Volumetric Flask (100 ml) | Fisher Scientific (Pyrex) | 10-211C | |
Estuarine Sediment | National Insititute of Standards | 1546A | Standard Reference Material |
Bleach | Clorox Ultra (5–10% sodium hypochlorite) |
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